軸承鋼方坯水口結瘤原因分析

李 維，張 霞

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

1 引言

浸入式水口堵塞一直是困擾連鑄的一個難題，尤其在澆注鋁鎮靜鋼時，浸入式水口堵塞的現象時有發生，不僅降低了連鑄生產效率，更直接影響到連鑄操作的穩定性，而且也是引起鑄坯表面缺陷的原因。天鋼軸承鋼鑄坯生產工藝為：鐵水預處理→120 t頂底復吹轉爐冶煉→120 t LF爐精煉→120 t VD爐真空脫氣→6機6流（R9m）方坯連鑄機澆注→堆冷，鑄坯斷面150×150 mm。在澆注軸承鋼過程中，發生了水口結瘤。本文研究了水口結瘤物物相，分析了結瘤原因，為避免該問題的發生提供了理論依據。

2 水口結瘤物分析

天鋼生產軸承鋼方坯采用的浸入式水口包括3部分，水口上部采用的是Mg-O質，本體采用Al2O3-C質，渣線部位采用ZrO2-SiO2-C質。本次實驗選取 4 個水口試樣，編號為 1#～4#，其中，1#、2#發生水口結瘤，3#、4#澆注順暢。水口堵塞發生在水口渣線部位，利用光學顯微鏡和掃描電鏡分析結瘤物各個結構層的物相類型和分布規律，用X熒光分析成分，以弄清堵塞的物理化學過程。

2.1 宏觀形貌

沿著1#水口縱剖面取試樣進行宏觀形貌觀察，見圖1。可以看出，由外至內可以分為4層，各層的特點如下：

最外層：水口本體脫碳層，呈黑褐色，疏松，內有許多氣孔，見圖1①。

近外層：致密氧化鋁層，該層為無棱角Al2O3顆粒和部分帶有棱角的Al2O3顆粒構成的致密堵塞物，顏色較水口本體顏色深，見圖1②。

近內層：疏松層，為一層疏松堵塞物層，此層結瘤物處于水口靠近其中心部位，與鋼液直接接觸，其致密度較脫碳層明顯低，其中夾雜著許多淺顏色的顆粒狀夾雜物，見圖1③。

最內層：凝鋼，見圖1④。

圖1 水口宏觀形貌

2.2 掃描電鏡分析

脫碳層對于鋁碳質水口結瘤起到重要作用，水口中的 Na、Zr、Si、K、B 等元素在高溫下呈液態，容易使得夾雜物和鋼液粘附在水口壁上進而燒結在一起。另一方而，脫碳層造成水口內壁而粗糙度急劇變大，使得夾雜物在水口壁的吸附起到促進作用。

為了明確脫碳層在水口結瘤中起到的作用，對水口渣線部位脫碳層進行 C、O、Al、Si元素的EDS線掃描分析，如圖2所示，掃描方向為脫碳層到致密層。由線掃描結果可以看出，水口耐材到結瘤物的過渡過程中，C元素急劇降低，Al、Si元素提高，可見，水口結瘤部位有Al2O3、SiO2等氧化物的聚集。

圖2 分界處線掃描

2.3 X熒光光譜分析

為了進一步確認結瘤物的物相，選取水口渣線部位試樣，利用X熒光光譜儀分析水口本體和堵塞物成分差異，結果見表1。可以看出，水口結瘤物是高溫氧化物，以Al2O3為主，并混有Fe2O3、硅酸鹽以及少量的CaO-Al2O3系礦物，ZrO2由水口本體帶入，與線掃描結果基本一致。

表1 結瘤物成分 /%

由上述分析可知，水口結瘤物的組成是以Al2O3為主的高溫氧化物。

3 水口結瘤原因分析

Al2O3主要在以下幾個環節形成[1]：（1）水口耐火材料與鋼液發生化學反應生成。（2）煉鋼脫氧產物Al2O3未能完全上浮去除。軸承鋼脫氧合金化過程需加入鋼芯鋁和鋁粉進行脫氧和細化晶粒，其脫氧產物絕大部分為Al2O3。（3）二次氧化產物。轉爐出鋼到連鑄過程中，鋼液中的溶解鋁與空氣中的氧氣、耐火材料和爐渣中的氧化物發生化學反應，生成Al2O3。（4）中間包溫度變化造成。隨著鋼液溫度降低，鋼液中溶解氧的能力降低，平衡遭到破壞，析出氧與鋼液中的鋁繼續發生反應，生成Al2O3。本文通過重點分析水口耐火材料和中間包鋼液情況，來確定結瘤物成因。

3.1 水口耐火材料分析

耐火材料是由多元多相組分構成的，澆注軸承鋼所用水口為Al2O3-C質水口，主要成分為Al2O3、C和SiO2，水口內襯耐火材料成分之間以及與鋼液中的液態[Al]可能發生下列化學反應：

耐火材料內部：

耐火材料-鋼液界面：

當溫度超過1573 K時，含C耐火材料中的C和SiO2就會發生反應式（3）的固-固反應，產生SiO氣體和CO氣體。生成的SiO氣體在鋼液界面進一步按反應式（5）與氧化鋼液中的[Al]形成Al2O3顆粒，SiO氣體本身被還原成Si，溶解到鋼液中。同時，反應式（1）及（3）中生成的CO氣體也按反應式（4）與氧化鋼液中的[Al]生成Al2O3顆粒。

首先，水口內壁的石墨被氧化，變得細長，表面開始變得凹凸不平。在耐火材料與鋼液接觸界面上的Al2O3形成1～2 mm厚的致密網狀燒結層[2]，網狀燒結層中不含有石墨C，然后懸浮在鋼液中的脫氧產物Al2O3凝結在內壁的凸凹處，形成新的附著物。耐火材料組分與鋼液發生反應生成Al2O3，是產生結瘤物的原因之一。

3.2 中間包鋼液分析

3.2.1 夾雜物分析

對中間包鋼液進行無水電解，利用掃描電鏡對無水電解后的大型夾雜物進行形貌觀察和成分分析，結果見圖3和表2。

圖3 中間包鋼液夾雜物形貌

從夾雜物尺寸看，主要介于58～150 μm，尺寸較大，不易于上浮排除，而且容易導致細小夾雜物的進一步附著。從夾雜物形貌看，以尺寸超過80 μm的塊狀不規則夾雜物居多，還有少量的尺寸在50 μm以下的球狀夾雜物。從夾雜物組成看，主要為氧化性夾雜物，以SiO2-Al2O3-CaO系復合夾雜物為主，同時還有少量CaO-MgO型夾雜物和小顆粒MgO夾雜，以及少量Na2O和K2O。從夾雜物來源看，Al2O3、SiO2、CaO 主要來源于脫氧產物，MgO 夾雜主要來源于鋼包耐材被侵蝕，Na2O和K2O主要來源于保護渣。

3.2.2 鋼液脫氧情況分析

分別統計水口結瘤爐次（1#、2#）和澆注順暢爐次（3#、4#）的中間包鋼液酸溶鋁及全鋁含量。1#、2#的 ω（Als）/ω（Alt）分別為 31.28%和 59.76%，3#、4#的 ω（Als）/ω（Alt）分別為 80%和 76.41%。可見，水口結瘤爐次的酸溶鋁占全鋁比重較高，反之，則Al2O3含量比重偏高。在正常澆注過程中，鋼液中的Al2O3附在水口內壁的脫碳層上形成附著物，若能隨鋼液一起流出則不會發生堵塞現象。但是當Al2O3形成過多時，形成的附著物還未隨鋼液一起流出，就又被新的附著物附著，此時附著物與脫碳層結合力過大，大于鋼液流動所形成的力，不易被沖掉，隨著澆注的進行，造成水口堵塞結瘤。

由此說明，懸浮在中間包鋼液中的大量高熔點Al2O3夾雜是發生水口結瘤的另一重要原因，主要來源于脫氧產物。

表2 夾雜物能譜分析結果 /%

4 工藝改進建議

根據Al2O3夾雜的形成過程，建議采用以下措施改善水口結瘤問題。

（1）選擇耐高溫、融損小、質量高的水口耐火材料，避免其與鋼液中溶解鋁反應生成Al2O3夾雜。

（2）冶煉環節提高鋼液潔凈度，增加吹氬時間和鎮靜時間，促進Al2O3夾雜物的充分上浮。

5 結論

（1）通過掃描電鏡、能譜分析、X熒光光譜儀等手段對水口結瘤物進行分析，結果表明水口結瘤物是以Al2O3為主的高溫氧化物。

（2）水口耐火材料組分與鋼液中鋁發生反應生成Al2O3，是產生結瘤物的原因之一。

（3）中間包鋼液中存在的大量高熔點脫氧產物Al2O3夾雜是發生水口結瘤的另一個重要原因。

（4）建議從合理選擇水口耐火材料、控制鋼液潔凈度等方面，改善水口結瘤現象。

[1]顧興鈞.防止船板（鋁鎮靜）鋼液中結瘤的生產實踐[J].煉鋼，2002（18）：20-22.